一种基于低熔点合金的可变刚度仿生机器人脚

本发明涉及机器人，尤其涉及一种基于低熔点合金的可变刚度仿生机器人脚。

背景技术：

1、在机器人领域中，仿生机器人一直是应用于研究的热门方向，尤其是模仿人类运动的机器人，更昭示着未来机器人技术的发展方向。

2、为了更好的使机器人模拟人类行走动作，研究人员们设计了许多创新的机器人仿生脚踝结构，以实现更好的缓震与支撑效果，渐渐的，研究人员发现固定刚度的机器人仿生脚踝在面对不同的行走环境与负载工作模式时并不灵活，适应能力差，因此，许多可变刚度的脚踝结构应运而生。

3、以往的变刚度仿生机器人脚踝的变刚度功能通常通过复杂的机械结构实现，往往伴随着昂贵的成本与较高的故障率，因此，相关领域需要一种结构简单，效果稳定的新设计。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种基于低熔点合金的可变刚度仿生机器人脚。

2、本发明的一种基于低熔点合金的可变刚度仿生机器人脚，包括仿生机器人足底、仿生机器人小腿和两个踝关节连接机构；所述踝关节连接机构包括连接柱和设置在所述连接柱的一端的可变弹性组件；所述仿生机器人小腿的底部通过第一连接轴可转动的设置在所述仿生机器人足底的中部，两个所述连接柱通过第二连接轴可转动的设置在所述仿生机器人小腿的中部两侧，两个所述可变弹性组件通过第三连接轴可转动的设置在所述仿生机器人足底的后端；

3、所述可变弹性组件包括底座、低熔点合金可变刚度层、弹性件、顶板、至少两个导向柱；低熔点合金可变刚度层固定于底座上，至少两个所述导向柱竖直间隔设置在底座上，所述顶板上设有至少两个导向孔，所述顶板由所述导向孔可滑动的设置在所述导向柱上，弹性件一侧与低熔点合金可变刚度层上表面连接，另一侧与顶板连接。

4、进一步的，所述低熔点合金可变刚度层包括从下至上依次设置的硅胶底层、低熔点合金块、硅胶夹层、电加热丝和硅胶顶层，所述电加热丝的两端外接电源。

5、进一步的，所述电加热丝弯折为漩涡状，两端延长暴露于低熔点合金变刚度层外与电源相连接。

6、进一步的，所述导向孔上均设有滑动轴承，所述导向柱穿设在所述滑动轴承内。

7、进一步的，所述弹性件为圆柱螺旋压缩弹簧。

8、进一步的，所述顶板下表面设有圆柱形突起，直径与圆柱螺旋压缩弹簧内径相等，所述圆柱螺旋压缩弹簧套设在所述圆柱形突起上。

9、进一步的，所述底座为一中心开孔的圆柱体；所述底座上设有凹槽，所述可变弹性组件设置在所述凹槽内。

10、进一步的，所述凹槽外壁设有供所述电加热丝两端延长伸出的开口。

11、进一步的，所述底座设有至少两个安装孔，所述导向柱设置在所述安装孔内。

12、进一步的，所述安装孔的个数为三个，且三个所述安装孔的连线为正三角形。

13、本发明中，在机器人迈步时，仿生机器人小腿可绕第一连接轴相对仿生机器人足底前后旋转，模拟人类迈步时足与小腿的状态；同时，踝关节连接机构与基于可变弹性组件在仿生机器人足底触地与离地时提供缓震与支撑；通过改变可变弹性组件的弹性系数，可以改变其缓震效果与支撑力度，从而改变仿生机器人踝关节的刚度。这种改变刚度地能力可以使机器人适应不同的行走环境与工作模式。

14、可变弹性组件的变刚度原理为，可以通过向电加热丝通直流电加热使低熔点合金块熔化，降低低熔点合金可变刚度层的刚度；停止通电后可通过自然散热使低熔点合金块凝固，恢复低熔点合金可变刚度层的刚度。在不通电时，低熔点合金可变刚度层为高刚度状态，此时给弹簧上顶板施加向下的压力，圆柱螺旋压缩弹簧压缩，产生弹力，低熔点合金可变刚度层形态保持不变，此时可变弹性系数弹簧的整体弹性系数等于圆柱螺旋压缩弹簧的弹性系数；在通电加热后，低熔点合金可变刚度层转变为低刚度状态，此时给顶板施加向下的压力，圆柱螺旋压缩弹簧压缩的同时，低熔点合金可变刚度层中心下陷，使得可变弹性系数弹簧在受到同样的压力时，弹簧上顶板的位移距离增加，此时可变弹性系数弹簧的整体弹性系数低于圆柱螺旋压缩弹簧的弹性系数，实现了弹性系数的改变。这种变刚度方式不改变弹簧整体结构与作用长度，易于实现对机器人关节的建模与控制。

15、本发明的可变弹性组件通过控制低熔点合金的温度，实现固态和液态的可控切换，进而实现对可变弹性组件弹性系数的动态调节。同时，基于低熔点合金的可变弹性系数弹簧变刚度性能良好，性质稳定，应用于仿生机器人踝关节中，可有效降低制造与维护成本，提高工作稳定性。

16、本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种基于低熔点合金的可变刚度仿生机器人脚，可以有效实现对人类踝足关节的模仿工作，为机器人行走与运动提供良好的缓震与支撑作用。其中，核心部件为基于低熔点合金的可变弹性组件，通过控制低熔点合金可变刚度层的温度，可以实现对可变弹性组件的弹性系数进行实时调节，从而满足不同工作条件下的需求，这种新颖的变弹性系数原理在改变弹簧弹性系数的同时，不改变弹簧的结构与作用长度，同时变刚度过程不依赖电机，进一步提高了结构的稳定性；同时，结构简单，无需复杂的零部件和装配过程，易于制造和维护。

技术特征：

1.一种基于低熔点合金的可变刚度仿生机器人脚，其特征在于：包括仿生机器人足底(1)、仿生机器人小腿(2)和两个踝关节连接机构(3)；所述踝关节连接机构(3)包括连接柱(4)和设置在所述连接柱(4)的一端的可变弹性组件(5)；所述仿生机器人小腿(2)的底部通过第一连接轴(6)可转动的设置在所述仿生机器人足底(1)的中部，两个所述连接柱(4)通过第二连接轴(7)可转动的设置在所述仿生机器人小腿(2)的中部两侧，两个所述可变弹性组件(5)通过第三连接轴(8)可转动的设置在所述仿生机器人足底(1)的后端；

2.如权利要求1所述的一种基于低熔点合金的可变刚度仿生机器人脚，其特征在于：所述低熔点合金可变刚度层(52)包括从下至上依次设置的硅胶底层(521)、低熔点合金块(522)、硅胶夹层(523)、电加热丝(524)和硅胶顶层(525)，所述电加热丝(524)的两端外接电源。

3.如权利要求2所述的一种基于低熔点合金的可变刚度仿生机器人脚，其特征在于：所述电加热丝(524)弯折为漩涡状，两端延长暴露于低熔点合金可变刚度层(52)外与电源相连接。

4.如权利要求1所述的一种基于低熔点合金的可变刚度仿生机器人脚，其特征在于：所述导向孔(541)上均设有滑动轴承(542)，所述导向柱(55)穿设在所述滑动轴承(542)内。

5.如权利要求1所述的一种基于低熔点合金的可变刚度仿生机器人脚，其特征在于：所述弹性件(53)为圆柱螺旋压缩弹簧。

6.如权利要求1所述的一种基于低熔点合金的可变刚度仿生机器人脚，其特征在于：所述顶板(54)下表面设有圆柱形突起，直径与圆柱螺旋压缩弹簧内径相等，所述圆柱螺旋压缩弹簧套设在所述圆柱形突起上。

7.如权利要求2所述的一种基于低熔点合金的可变刚度仿生机器人脚，其特征在于：所述底座(51)为一中心开孔的圆柱体；所述底座(51)设有凹槽(511)，所述可变弹性组件(5)设置在所述凹槽(511)内。

8.如权利要求7所述的一种基于低熔点合金的可变刚度仿生机器人脚，其特征在于：所述凹槽(511)外壁设有供所述电加热丝(524)两端延长伸出的开口(512)。

9.如权利要求8所述的一种基于低熔点合金的可变刚度仿生机器人脚，其特征在于：所述底座(51)设有至少两个安装孔(513)，所述导向柱(55)设置在所述安装孔(513)内。

10.如权利要求9所述的一种基于低熔点合金的可变刚度仿生机器人脚，其特征在于：所述安装孔(513)的个数为三个，且三个所述安装孔(513)的连线为正三角形。

技术总结本发明公开了一种基于低熔点合金的可变刚度仿生机器人脚。本发明涉及机器人技术领域。本发明的仿生机器人小腿的底部通过第一连接轴可转动的设置在仿生机器人足底的中部，两个连接柱通过第二连接轴可转动的设置在仿生机器人小腿的中部两侧，两个可变弹性组件通过第三连接轴可转动的设置在仿生机器人足底的后端；可变弹性组件包括底座、低熔点合金可变刚度层、弹性件、顶板、至少两个导向柱。本发明可以有效实现对人类踝足关节的模仿工作，为机器人行走与运动提供良好的缓震与支撑作用。其中，通过控制低熔点合金可变刚度层的温度，可以实现对可变弹性组件的弹性系数进行实时调节，从而满足不同工作条件下的需求。技术研发人员：吴俊东,罗澍,王亚午,孟庆鑫受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）技术研发日：技术公布日：2024/9/9